一种仿生鳐鱼水下机器人

摘要

本发明公开了一种仿生鳐鱼水下机器人，由主体机架、电池、控制模块、水泵、尾部组件和多对波动杆组成；其中，电机位于主体机架的头部，并与第一级传动轮组通过联轴器固连，两侧的差动波动结构各对应一个电机，电机输入动力使结构运动，电机与控制模块连接，通过差动与传动轮组组成仿生差动波动结构；多对波动杆与软膜连接，实现仿生机械模拟和对鳐鱼的外形模拟。尾部连接件与舵机固定件连接，尾部组件实现辅助性前进与转向的功能；利用搭载储水舱和水泵实现沉浮运动。仿生鳐鱼水下机器人具有体积小、重量轻、立体运动能力强、动作灵活的特点；机器人可进行各种环境水质检测的水中工作，以及水下探测活动，具有广泛的应用前景。

说明书

技术领域

本发明涉及水下机器人技术领域，具体地说，涉及一种以鳐鱼为仿生对象的水下机器人。

背景技术

目前常见的无人水下航行器，如自主式水下航行器(Autonomous UnderwaterVehicle,AUV)、遥控水下航行器(Remotely Operated Vehicle,ROV)等多采用传统的螺旋桨推进器。螺旋桨推进技术在实际应用中有着不可替代的优势，理论研究和实际应用都已较为成熟；但其自身亦存在不足，如噪声大、对环境扰动大、运动灵活性和隐蔽性较差，应用场合受到限制。以鳐鱼为代表的波动鳍推进模式的鱼类在隐蔽性、节能性方面具有超凡的优越性。而目前针对鳐鱼的仿生学研究较少，以鳐鱼为仿生对象进行研究是十分必要的。

发明专利CN201610120449.0公开了“一种仿鳐鱼的船用推进装置”。该推进装置包括提供动力作用的电动机、摇杆、连杆、小齿轮、大齿轮、传动轴、传动轴及大齿轮支架、电动机支架、长轴支架、底座；装置通过电动机带动传动轴转动，传动轴带动小齿轮和大齿轮转动，大齿轮通过短轴带动连杆运动，连杆带动摇杆运动。由于短轴相对于大齿轮为偏心固定，在大齿轮的带动下短轴做圆运动，同时带动连杆摆动，连杆的摆动带动摇杆摆动。为了使摇杆产生波动效果，从而产生推进力，沿传动轴方向不同的大齿轮上的短轴依次以一定的角度固定在大齿轮上；并采用柔性薄膜连接相邻的摇杆。通过轮系实现波动效果。但由于轮系结构简单，其没有较为真实地模拟出鳐鱼的差速波动运动过程，只是一个波动式的推进装置。

发明内容

为了避免现有技术存在的不足，本发明提出一种仿生鳐鱼水下机器人；该机器人通过差动与传动轮组组成的仿生差动波动结构，实现仿生机械模拟和对鳐鱼的外形模拟；利用搭载储水舱实现沉浮功能。机器人具有体积小、重量轻、立体运动能力强、动作灵活的特点；机器人可进行各种环境水质检测的水中作业，以及水下探测活动，具有广泛的应用前景。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:包括主体机架、电池、控制模块、水泵、电机、波动杆和尾部组件，所述主体机架包括传动轮组、差动轮组、中间板、上盖板、下舱板、头部，中间板分别与上盖板、下舱板、头部和尾部组件固定连接，传动轮组与差动轮组依头部沿中间板轴向与两侧对应的波动杆连接；

所述传动轮组包括第一齿轮、第二齿轮、传动轴和两个旋转盘，传动轮组为多组，沿中间板轴向中线对称安装，第一齿轮与差动连接轴固连，第二齿轮与两个旋转盘通过传动轴定位于中间板的每一级定位孔上，并与差动连接轴共轴固连的第一齿轮啮合向与传动轴固连的第一齿轮输入动力，通过两个旋转盘输出动力；滑块与每个旋转盘定位孔共轴连接，定位滑块与中间板上的定位孔共轴连接；

所述差动轮组包括第一太阳轮、第二太阳轮、第一行星轮、第二行星轮、行星架、差动连接轴，第一太阳轮、第二太阳轮分别通过差动连接轴轴向定位在中间板的定位孔上，第一行星轮与第二行星轮轴向定位在行星架两端，行星架的主轴与差动连接轴共轴，实现差动装配；每一级差动轮组由第一太阳轮输入动力，向第一行星轮、第二行星轮与第二太阳轮啮合传动，实现差动减速；传动轮组与差动轮组构成的单侧波动传动结构；

所述波动杆为多对，波动杆包括第一波动杆，第二波动杆，第三波动杆，第四波动杆，第五波动杆，第六波动杆，每对波动杆对称安装，对应的波动杆两定位轴依次穿过该传动轮组上的滑块与对应的定位滑块，波动杆的定位轴根部平面与定位滑块外部平面进行共面固定；

所述电机与电机连接件固连位于主体机架的头部，头部与中间板固连；电机与第一级传动轮组通过联轴器连接，两侧的差动波动结构各对应一个电机，电机输入动力使结构运动，电机与控制模块通过导线连接；

所述电池、控制模块、水泵固定在下舱板内，水泵进水口通过软管与外部相通，水泵出水口与下舱板内的储水舱相连，通过水泵控制储水舱进水量，实现上浮、下沉运动；电池分别与电机、控制模块、水泵相连接供电；

所述尾部组件包括尾部连接件、舵机固定件、舵机、舵机U型件、尾舵，尾部连接件与舵机固定件连接，并与中间板通过螺钉固连，舵机与舵机固定件固连，舵机与尾舵通过舵机U型件连接；尾部组件实现辅助性前进与转向的功能。

每两个传动轮组与差动轮组啮合，轮组中齿轮模数均为1。

所述软膜与多对波动杆连接。

有益效果

本发明提出的一种仿生鳐鱼水下机器人，由主体机架、电池、控制模块、水泵、尾部组件和多对波动杆组成；其中，电机位于主体机架的头部，并与第一级传动轮组通过联轴器固连，两侧的差动波动结构各对应一个电机，电机输入动力使结构运动，电机与控制模块连接，通过差动轮与传动轮组成的仿生差动波动结构，多对波动杆与软膜连接，实现仿生机械模拟和对鳐鱼的外形模拟。尾部连接件与舵机固定件连接，尾部组件实现辅助性前进与转向的功能；利用搭载储水舱和水泵实现沉浮运动。仿生鳐鱼水下机器人具有体积小、重量轻、立体运动能力强、动作灵活便捷的特点；机器人可进行各种环境水质检测的水中工作，以及水下探测活动，具有广泛的应用前景。

附图说明

下面结合附图和实施方式对本发明一种仿生鳐鱼水下机器人作进一步详细说明。

图1为本发明仿生鳐鱼水下机器人轴测图。

图2为本发明仿生鳐鱼水下机器人侧视图。

图3为本发明仿生鳐鱼水下机器人俯视图。

图4为本发明仿生鳐鱼水下机器人的差动波动结构示意图。

图5为本发明仿生鳐鱼水下机器人示意图。

图中

1.中间板 2.上盖板 3.下舱板 4.头部 5.电机 6.电机连接件 7.联轴器 8.传动轮组 9.差动轮组 10.滑块 11.定位滑块 12.第一波动杆 13.第二波动杆 14.第三波动杆15.第四波动杆 16.第五波动杆 17.第六波动杆 18.电池 19.控制模块 20.水泵 21.尾部连接件 22.舵机固定架 23.舵机 24.舵机U型件 25.尾舵 26.第一太阳轮 27.第二太阳轮28.第一行星轮 29.第二行星轮 30.行星架 31.差动连接轴 32.第一齿轮 33.第二齿轮34.传动轴 35.旋转盘 36.软膜

具体实施方式

本实施例是一种仿生鳐鱼水下机器人。

参阅图1～图5，本实施例仿生鳐鱼水下机器人，由主体机架、电池18、控制模块19、水泵20、电机5、波动杆和尾部组件组成；其中，主体机架包括传动轮组8、差动轮组9、中间板1、上盖板2、下舱板3、头部4，中间板1分别与上盖板2、下舱板3、头部4和尾部组件固定连接，传动轮组8依头部4沿中间板1轴向与两侧对应的波动杆连接。中间板1作为由传动轮组8和差动轮组9组成的复合轮系的机架，同时通过固定连接上盖板2，下舱板3，头部4和尾部组件作为机器人主体。中间板1沿机器人纵向轴线对称，一侧安装多个传动轮组8，每两个传动轮组8之间依次用差动轮9相连，轮组中所有的齿轮模数均为1组，实现传动轮组8和差动轮组9组成的单侧仿生波动传动结构。

本实施例中，传动轮组8包括第一齿轮32、第二齿轮33、传动轴34和两个旋转盘35，传动轮组8为多组，沿中间板1轴向中线对称安装，第一齿轮32与差动连接轴31固定连接，第二齿轮33与两个旋转盘35通过传动轴34定位于中间板1的每一级定位孔上，并与差动连接轴31共轴固连的第一齿轮32啮合，向与传动轴34固连的第一齿轮32输入动力，通过两个旋转盘35输出动力；滑块10与旋转盘35定位孔共轴连接，定位滑块11与中间板1上的定位孔共轴连接。差动轮组9包括第一太阳轮26、第二太阳轮27、第一行星轮28、第二行星轮29、行星架30、差动连接轴31，第一太阳轮26、第二太阳轮27分别通过差动连接轴31轴向定位在中间板1的定位孔上，第一行星轮28与第二行星轮29轴向定位在行星架30两端，行星架30的主轴与差动连接轴31共轴，实现差动装配。每一级差动轮组由第一太阳轮26输入动力，通过啮合向第一行星轮28、第二行星轮29与第二太阳轮27的传动，实现差动减速。

波动杆为多对，波动杆包括第一波动杆11，第二波动杆12，第三波动杆13，第四波动杆14，第五波动杆15，第六波动杆16，每对波动杆对称安装，每一对应的波动杆两定位轴依次穿过各级传动轮组件8上的滑块10与各级对应的定位滑块11，波动杆的定位轴根部平面与定位滑块11外部平面共面固定；多根波动杆与软膜36连接。

电机5与电机连接件6固连位于主体机架的头部，头部4与中间板1通过螺钉固连；电机5与第一级传动轮组通过联轴器7固连，两侧的差动波动结构各对应一个电机，电机输入动力使结构运动，电机5与控制模块19通过导线连接；受到控制模块19的控制。上盖板2通过螺钉与头部4和中间板1固定连接，上盖板2起到保护仿生差动波动结构的作用。电池18，控制模块19，水泵20固定在下舱板3内部，水泵20的进水口通过软管与外部连通，水泵20的出水口与下舱板3内部的储水舱相连，水泵通过控制储水舱进水量实现上浮、下沉运动。水泵20通过控制线与控制模块19相连受控。电池18与步进电机5，控制模块19，水泵20相连，进行供电。尾部连接件21与舵机固定件22通过螺钉固连，

尾部组件包括尾部连接件21、舵机固定件22、舵机23、舵机U型件24、尾舵25，尾部连接件21与舵机固定件22连接，并与中间板1通过螺钉固连，舵机23与舵机固定件22固连，舵机23与尾舵25通过舵机U型件24连接；尾部组件实现辅助性前进与转向的功能。

控制运动过程:

控制模块输出信号，驱动两个步进电机与防水舵机和水泵工作，进而带动仿生差动波动结构、尾部组件运动与储水舱水量变化，实现机器人在水中的立体运动。

(1)垂直运动:机器人在垂直运动时，水泵进行工作，通过向储水舱中注水增大整个机器人密度，机器人实现下沉运动，通过向储水舱中排水减小机器人密度，机器人实现上浮运动。

(2)前进运动:机器人在前进运动时，两组仿生差动波动结构同相位开始运动，两个步进电机同速开始工作，实现左右两侧相同的波动效果，尾部组件配合进行左右摆幅一样的运动，实现机器人的前进运动。

(3)转向运动:机器人在转向运动时，要转向一侧的步进电机速度降低，另一侧步进电机速度增加，实现两侧结构的差速运动，配合尾部组件向转向侧的摆幅减小，实现两侧的受力差，进行相应的转向运动。